2.3.1 恒电流模式
如图4所示，利用一套电子反馈线路控制隧道电流 I ，使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描，即是使针尖沿x、y两个方向作二维运动。由于要控制隧道电流 I 不变，针尖与样品表面之间的局域高度也会保持不变，因而针尖就会
随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出来。这就是说，STM得到了样品表面的三维立体信息。这种工作方式获取图象信息全面，显微图象质量高，应用广泛。（图中S为针尖与样品间距，I、Vb为隧道电流和偏置电压，Vz为控制针尖在Z方向高度的反馈电压。）
2.3.2 恒高度模式
如图5所示，在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变；于是针尖与样品表面的局域距离 s 将发生变化，隧道电流I的大小也随着发生变化；通过计算机记录隧道电流的变化，并转换成图像信号显示出来，即得到了STM显微图像。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同一种原子组成)的情形。
从STM的工作原理可以看到：STM工作的特点是利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取显微图像，而不需要光源和透镜。这正是得名"扫描隧道显微镜"的原因。
图6 探针在物质表面的微观图象
三、STM的应用
STM作为新型的显微工具与以往的各种显微镜和分析仪器相比有明显的优势：首先，STM具有极高的分辨率。它可以轻易的“看到”原子，这是一般显微镜甚至电子显微镜所难以达到的。我们可以用一个比喻来描述STM的分辨本领：
用STM可以把一个原子放大到一个网球大小的尺寸，这相当于把一个网球放大到我们生活的地球那么大。
其次，STM得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图象。而不同于某些分析仪器是通过间接的或计算的方法来推算样品的表面结构。
STM的使用环境宽松。电子显微镜等仪器对工作环境要求比较苛刻，样品必须安放在高真空条件下才能进行测试。而STM既可以在真空中工作，又可以在大气中、低温、常温、高温，甚至在溶液中使用。因此STM适用于各种工作环境下的科学实验。
STM的应用领域是宽广的。无论是物理、化学、生物、医学等基础学科，还是材料、微电子等应用学科都有它的用武之地。
STM的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的。这对于STM的推广是有好处的。
STM最重要的用途在于纳米技术上，具体如下。
3.1 “看见”了以前所看不到的东西
自从1983年IBM的科学家第一次利用STM在硅单晶表面观察到原子阵列以后，大量的具有原子分辨率的各种金属和半导体表面的原子图象被相继发表。然而，在更多的情况下，获得高分辨率的图象并不意味着我们就可以直接看到原子。正如我们从STM的工作原理中可以预见的那样，STM所观察到的并不是真正的原子或分子，而只是这些原子或分子的电子云形态。我们已经熟悉了这样的一个概念：“分子是由原子组成的，原子是由原子核和围绕着原子核高速运动的电子组成的”。当原子组成分子后，原子中的某些电子在很多情况下将不再为某个原子所独有，而是被一些原子或整个分子所共有。这时，我们通过STM所获得的分子图象将不是与分子内部的原子排列一一对应的。因此利用STM研究分子的结构并不象我们所想象的那样容易，如何通过从STM获得的分子图象来解读分子内部的结构信息就成了一个十分重要而又具有挑战性的课题。
C60分子由60个碳原子组成，是一种与足球结构类似的球形分子。1996年美国和英国的三位科学家就因为发现了这种比足球小了几亿倍的“足球分子”而获得了诺贝尔化学奖，这足以说明这类分子的重要性。与足球一样，C60分子具有三维的立体结构，因此当它们吸附在固体表面上时，就存在着不同的吸附取向。为了研究C60分子的吸附位置和吸附取向，中国科学技术大学的科学工作者们在超高真空条件下将C60分子蒸发在单晶硅表面，利用STM在接近零下200摄氏度的低温条件下对样品表面进行扫描，获得了C60分子在不同实验条件下的高分辨图像。在此基础上，他们采用“指纹鉴定”的方法，通过严格的理论计算，将理论模拟图像与实验图像加以比较分析，从而将所获得的C60分子的STM图象与其内部的原子结构对应起来，在国际上首次确定了C60分子在Si(111)-(7×7)表面上的吸附取向。这项成果的意义在于将理论分析与STM实验测量相结合，成功地确定了分子的内部结构信息。这对人们研究更加复杂的分子体系探索出了一条可行的方法。
